CN109211281B

CN109211281B - 一种传感器

Info

Publication number: CN109211281B
Application number: CN201810886846.8A
Authority: CN
Inventors: 邹泉波; 冷群文; 王喆
Original assignee: Qingdao Research Institute Of Beihang University; Goertek Inc
Current assignee: Qingdao Research Institute of Beijing University of Aeronautics and Astronautics; Weifang Goertek Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2018-08-06
Filing date: 2018-08-06
Publication date: 2019-10-22
Anticipated expiration: 2038-08-06
Also published as: WO2020029360A1; CN109211281A

Abstract

本发明公开了一种传感器，包括第一衬底以及通过第一间隔部支撑在第一衬底上方的振膜，检测结构包括第一磁体、第二磁体，以及设置在第一磁体、第二磁体形成共同磁场中的磁阻传感器；初始位置时，所述磁阻传感器位于第一磁体的磁场方向与第二磁体的磁场方向相反的位置；所述磁阻传感器被配置为在振膜的振动过程中感应第一磁体、第二磁体共同磁场的变化而输出变化的电信号；还包括调节磁阻传感器与第一磁体、第二磁体之间相互位置的驱动装置。本发明的传感器，通过驱动装置可以微调磁阻传感器与第一磁体、第二磁体之间的相对位置，保证磁阻传感器可以工作在合适的磁场中，避免了因制造、装配误差对传感器灵敏度的影响。

Description

一种传感器

技术领域

本发明涉及测量领域，更准备地说，本发明涉及一种传感器，例如麦克风、压力传感器、位移传感器。

背景技术

现有主流的传感器，例如麦克风、压力传感器、位移传感器等，均是通过平板电容器的原理进行检测。例如在麦可风的结构中，平板电容器包括衬底以及形成在衬底上的背极板、振膜，背极板与振膜之间具有间隙，使得背极板、振膜构成了平板式的电容器感测结构。

为了充分利用振膜的机械灵敏度，麦克风需要设计一个具有环境压力的巨大后腔，以确保流动空气的刚性远远振膜。背腔的容积通常远大于1mm³，例如通常设计为1-15mm³。而且麦克风芯片在封装的时候，需要开放其腔体。这就限制了MEMS麦克风最小尺寸封装的设计(>3mm³)。

这是由于如果后腔容积过小，则不利于空气的流通，这种空气的刚性则会大大降低振膜的机械灵敏度。另外，为了均压，背极板上通常会设计密集的通孔，由于空气粘度造成的间隙或穿孔中的空气流动阻力成为MEMS麦克风噪声的主导因素，从而限制了麦克风的高信噪比性能。

在传统的利用磁阻原理进行检测的结构中，采用的是单磁体、单磁阻传感器的检测结构。由于磁阻传感器的线性范围很窄，因此造成磁阻传感器的检测灵敏度很低。

图7a示出了现有技术中单磁体、单磁阻传感器分布的坐标图，其中磁体的中心位置为坐标原点。图7b示出了图7a中的磁场分布仿真图。永磁体的尺寸为10μm*5μm*0.5μm，横坐标代表磁阻传感器相对于永磁体中心的竖直距离z(m)，纵坐标代表磁场强度Bx(T)以及磁场变化梯度dB/dz(T/m)。图中的线a代表Bx(T)随着z(m)的变化曲线，线b代表磁场变化梯度dB/dz(T/m)随z(m)的变化曲线。

从图7b可以看出磁阻传感器(例如巨磁阻GMR)线性检测区域的起点为距离永磁体的中心z(m)约为18μm的位置。此时磁场变化梯度dB/dz(T/m)约为4700T/m(在10⁴T/m以下)。麦克风本征灵敏度最大值Soc＝V_B*S_R*S_B*S_M～2V*(0.3％/Gs)*(10⁴T/m)*(5nm/Pa)＝3mV/Pa，远低于常规麦克风的灵敏度13mV/Pa。其中V_B为GMR偏压，S_R＝(ΔR/R)/ΔB，S_B＝ΔB/ΔZ为磁场梯度，S_M＝ΔZ/ΔP为机械灵敏度。

因此，需要提出一种新的磁传感器检测结构，以提高检测的灵敏度。

发明内容

本发明的一个目的是提供了一种传感器的新的技术方案。

根据本发明的第一方面，提供一种传感器，包括第一衬底以及通过第一间隔部支撑在第一衬底上方的振膜，还包括用于输出表征振膜形变电信号的检测结构；所述检测结构包括第一磁体、第二磁体，以及设置在第一磁体、第二磁体形成共同磁场中的磁阻传感器；初始位置时，所述磁阻传感器位于第一磁体的磁场方向与第二磁体的磁场方向相反的位置；所述磁阻传感器被配置为在振膜的振动过程中感应第一磁体、第二磁体共同磁场的变化而输出变化的电信号；

还包括调节磁阻传感器与第一磁体、第二磁体之间相互位置的驱动装置。

可选地，所述驱动装置为压电片或者为用于提供静电力的电极片。

可选地，初始位置时，所述磁阻传感器受到第一磁体的磁场，与受到第二磁体的磁场大小相等，方向相反。

可选地，所述第一衬底、第一间隔部、振膜围成了真空腔；其中，振膜在大气压力下的静态偏转距离小于振膜与第一衬底之间的距离；驱动装置设置在振膜上；

所述第一磁体、第二磁体以磁极方向相同的方式依次水平布置在振膜上，所述磁阻传感器设置在第一衬底上与第一磁体、第二磁体相对应的位置；

或者，所述第一磁体、第二磁体以磁极方向相同的方式依次水平布置在第一衬底上，所述磁阻传感器设置在振膜上与第一磁体、第二磁体相对应的位置。

可选地，所述第一衬底具有与外界连通的中空腔，还包括与振膜隔开的悬臂，所述悬臂、振膜悬置在第一衬底中空腔上方，且所述振膜与第一间隔部、衬底围成了开放式的容腔；驱动装置设置在振膜上和/或悬臂上；

所述第一磁体、第二磁体以磁极方向相同的方式依次水平布置在振膜上，所述磁阻传感器设置在悬臂上与第一磁体、第二磁体相对应的位置；

或者，所述第一磁体、第二磁体以磁极方向相同的方式依次水平布置在悬臂上，所述磁阻传感器设置在振膜上与第一磁体、第二磁体相对应的位置。。

可选地，所述第一衬底、第一间隔部、振膜围成了真空腔；其中，振膜在大气压力下的静态偏转距离小于振膜与第一衬底之间的距离；

还包括与振膜通过第二间隔部隔开的悬臂，且所述振膜与第二间隔部、悬臂围成了开放式的容腔；驱动装置设置在振膜上和/或悬臂上；

所述磁阻传感器设置在振膜上，所述第一磁体、第二磁体分别设置在位于振膜两侧的第一衬底、悬臂上，且第一磁体、第二磁体的以磁极方向相反的方式进行布置。

可选地，所述第一磁体、第二磁体相对于磁阻传感器对称。

可选地，所述第一衬底具有与外界连通的中空腔，在振膜相对的两侧还分别设置有第一悬臂、第二悬臂，所述振膜与第一悬臂、第二悬臂之间均间隔开，所述振膜的两侧均与外界连通；驱动装置设置在振膜上和/或第一悬臂和/或第二悬臂；

所述磁阻传感器设置在振膜上，所述第一磁体、第二磁体分别设置在第一悬臂、第二悬臂上，且第一磁体、第二磁体的以磁极方向相反的方式进行布置。

可选地，所述第一磁体、第二磁体为经过磁化的薄膜。

可选地，所述传感器为麦克风、压力传感器、位移传感器

本发明的传感器，当磁阻传感器随着振膜振动的时候，磁阻传感器会以其初始位置上下振动。由于磁阻传感器同时受到两个磁体的作用，该两个磁体配合在一起，降低了整个磁场的强度，并在磁阻传感器的线性范围内提高了磁场变化的灵敏度，最终提高了磁阻传感器的检测灵敏度。

通过驱动装置可以微调磁阻传感器与第一磁体、第二磁体之间的相对位置，保证磁阻传感器可以工作在合适的磁场中，避免了因制造、装配误差对传感器灵敏度的影响。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1至图4是本发明传感器四种不同实施方式的结构示意图。

图5a是图1、图2所示实施例中磁阻传感器与两个磁体的坐标图。

图5b是图1、图2所示实施例中磁场分布的仿真图。

图6a是图3、图4所示实施例中磁阻传感器与两个磁体的坐标图。

图6b是图3、图4所示实施例中磁场分布的仿真图。

图6c是图6b中示意磁阻传感器线性检测区域的放大图。

图7a是现有技术中单磁阻传感器、单磁体的坐标图。

图7b是图7a所示现有技术中磁场分布的仿真图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明提供的传感器，其可以是麦克风、压力传感器、位移传感器或者本领域技术人员所熟知的其它传感器。例如当应用到压力传感器中时，振膜对外界的压力敏感，外界压力的变化会驱动振膜发生形变。当应用到位移传感器中时，可以设置一驱动杆与振膜连接在一起，通过驱动杆推动振膜发生形变，在此不再一一列举。

为了便于描述，现以麦克风为例，对本发明的技术方案进行详尽的描述。

本发明提供的一种麦克风，包括衬底、通过间隔部支撑在衬底上方的振膜以及用于输出表征振膜形变电信号的检测结构。当声音作用在振膜上时，振膜会在声压的作用下发生形变，此时检测结构会输出变化的电信号，以表征振膜的形变程度，实现声电的转换。

其中，检测结构包括第一磁体、第二磁体，以及设置在第一磁体、第二磁体形成共同磁场中的磁阻传感器。第一磁体、第二磁体对应布置在一起，使得二者的磁场相互作用在一起。磁阻传感器同时感应第一磁体、第二磁体的磁场，从而使得磁阻传感器在振膜的振动过程中可以感应第一磁体、第二磁体共同磁场的变化，从而输出变化的电信号。

在第一磁体、第二磁体的共同磁场中，某些位置时，两个磁体的磁场方向相反，在该位置，磁阻传感器受到的两个磁体的共同磁场较单个磁体而言会减弱。磁阻传感器初始位置即位于第一磁体的磁场与第二磁体的磁场方向相反的位置。

优选的是，初始位置时，磁阻传感器受到第一磁体的磁场，与受到第二磁体的磁场大小相等，方向相反。也就是说，在该位置时，磁阻传感器受到两个磁体的磁场大小相等，方向相反。此时，磁阻传感器受到的两个磁体的共同磁场为零。

磁阻传感器与第一磁体、第二磁体之间的理想位置是固定的，该传感器在制造、装配的时候，难免会因为误差对该位置造成影响，因此需要设置一驱动装置来调节磁阻传感器与第一磁体、第二磁体之间的相互位置。

该驱动装置例如可以压电片或者用于提供静电力的电极片。例如当选用压电片时，可以选用本领域技术人员所熟知的AlN、PZT或ZnO材质等。通过对压电片施加直流偏压，使得压电片将承载的部件偏移一定的距离，实现了位置的调节。

例如该驱动装置为电极片时，通过电极片可以对承载的部件施加静电力，使承载的部件偏移一定的距离，同样实现了位置的调节。

下面结合具体的实施方式，对本发明的技术方案进行详尽的描述。

实施例1

具体地，在本发明一个实施方式中，参考图3，本发明提供了一种麦克风，其包括第一衬底100以及通过第一间隔部140支撑在第一衬底100上方的振膜120，第一衬底100、第一间隔部140、振膜102围成了真空腔130。

本发明的第一衬底100可以采用单晶硅或者本领域技术人员所熟知的其它材质，并可通过逐层沉积、图案化、牺牲的工艺形成第一间隔部140以及通过第一间隔部140支撑在第一衬底100上的振膜120，真空腔130例如可由低压等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在200-350℃下进行密封。这种MEMS工艺属于本领域技术人员的公知常识，在此不再具体说明。其中真空腔130优选小于1kPa，这使得真空腔130中的残余气体粘度大大低于标准压力下的空气粘度。

由于振膜120与第一衬底100之间形成了低于大气压力的真空腔，因此振膜120在大气压力下且无声压时会发生静态偏转，即振膜120会朝向第一衬底100的方向发生静态偏转。为了防止振膜120静态时偏转至与第一衬底100接触，设计该振膜120的静态偏转距离要小于振膜120与第一衬底100之间的距离。这主要可以通过改变振膜120的刚性和/或改变振膜120与第一衬底100之间的距离来实现。

例如可以加厚振膜120的尺寸，当然也可以通过选择合适的振膜120材质来提升振膜120的刚性。例如可以通过设计使得振膜120具有0.02至0.9nm/Pa的机械灵敏度。也就是说，每受1Pa的压力，振膜120则会发生0.02-0.9nm的偏转，这种振膜120的刚性是传统振膜的10-100倍，使得振膜120足够坚硬以抵抗外界的大气压力。

振膜120和第一衬底100之间的相应初始间隙可以设计在1-100μm的范围内，配合上述刚性的振膜120，使得在大气压力下不会发生振膜120塌陷的问题。

为了提高MEMS麦克风的灵敏度，MEMS麦克风可以采用高灵敏度的检测构件。在本发明一个具体的实施方式中，高灵敏度的检测构件可以采用根据磁场变化而输出电信号的磁阻传感器110，例如巨磁阻传感器(GMR)或者隧道磁阻传感器(TMR)。通过采用高灵敏度的磁阻传感器110来获得检测的电信号，可以补偿由于振膜刚性带来的对麦克风整体灵敏度的影响，保证了轻薄化麦克风的声学性能。

参考图3，在第一衬底100上位于真空腔130一侧的位置设置有第一磁体150、第二磁体160，第一磁体150、第二磁体160可以采用磁性薄膜，磁性薄膜可以直接采用磁性材质，也可以是形成薄膜后对该薄膜进行磁化。在本发明一个具体的实施方式中，磁性薄膜可以采用CoCrPt或者CoPt材质。

该第一磁体150、第二磁体160可以通过沉积或者本领域技术人员所熟知的其它手段形成在第一衬底100上。具体在制作的时候，可以首先在第一衬底100上沉积一层绝缘层170，然后通过沉积、图案化处理形成第一磁体150、第二磁体160，为了保护第一磁体150、第二磁体160，还可以在绝缘层170上沉积一层将第一磁体150、第二磁体160覆盖住的钝化层180，绝缘层、钝化层可以选用本领域技术人员所熟知的材质，在此对其不再具体说明。

第一磁体150、第二磁体160相邻设置，且以磁极方向相同的方式依次水平布置在第一衬底100上。例如在制作的时候，先形成两个独立的薄膜，然后对该两个薄膜同时进行磁化。磁化后，参考图3的视图方向，第一磁体150、第二磁体160的左侧均为N极，右侧均为S极；反之亦可。

参考图3的实施例，磁阻传感器110设置在振膜120上位于真空腔的一侧，磁阻传感器110与位于第一衬底100上的第一磁体150、第二磁体160对应设置。为了将磁阻传感器110的电信号引出，可以在振膜120上位于真空腔的一侧设置引线部，该引线部一端与磁阻传感器110连接，另一端在振膜120上延伸至与第一间隔部140的位置，并在振膜120的外侧形成焊盘190。

当振膜120受到外界的声压时，振膜120向第一衬底100的方向发生形变，此时振膜120上的磁阻传感器110靠近第一磁体150、第二磁体160，从而使得磁阻传感器110可以感应第一磁体150、第二磁体160的共同磁场的变化，从而输出变化的电信号，实现了声电的转换。

磁阻传感器110可以设置在第一磁体150、第二磁体160中心线的上方位置。当第一磁体150、第二磁体160的左侧均为N极，右侧均为S极时，第一磁体150、第二磁体160的磁场方向均为由N极回到S极。因此在第一磁体150、第二磁体160中心线上方的某个位置，第一磁体150、第二磁体160的磁场方向相反、磁场强度近似相同。该位置即为磁阻传感器110的初始位置。

当磁阻传感器110随着振膜120振动的时候，磁阻传感器110会在该初始位置上下振动。由于磁阻传感器110同时受到两个磁体的作用，该两个磁体配合在一起，降低了整个磁场的强度，并在磁阻传感器110的线性范围内提高了磁场变化的灵敏度，最终提高了磁阻传感器110的检测灵敏度。

图6a示出了图3所示实施例中两个磁体与磁阻传感器分布的坐标图。在该坐标图中，原点位置位于两个磁体中心的位置。图6b、图6c示出了图3所示实施例中的磁场分布仿真图。两个磁体的尺寸均为6μm*4μm*0.5μm，两个磁体之间的间隙为2μm。图6b、图6c中的横坐标代表磁阻传感器相对于两个磁体中心位置的竖直距离z(m)，纵坐标代表磁场强度B(T)以及磁场变化梯度dB/dx(T/m)。图中的线a1代表B(T)随z(m)的变化曲线，线b1代表磁场变化梯度dB/dx(T/m)随z(m)的变化曲线。

磁阻传感器110初始位置的磁场强度为0，即线a1中B(T)为0的位置，此时z(m)约为4μm，即磁阻传感器110的初始位置为磁阻传感器110至两个磁体中心距离4μm的位置。在该初始位置时，线b1的值约为2.0*10⁵T/m。即在该位置时磁场变化梯度为2.0*10⁵T/m。相对于传统的单磁体结构而言，大大提高了磁场变化的灵敏度。另外线b1在该初始位置左右两侧的区域表现的较为平坦，这保证了磁阻传感器110可以处于其线性检测区域内。

本发明的麦克风，振膜120与第一衬底100之间围成了真空腔，真空腔内的空气粘度远远低于环境压力中的空气粘度，从而可以降低声阻对振膜120振动的影响，提高了麦克风的信噪比。另外，由于该结构的MEMS麦克风不需要较大容积的背腔，因此可以大大降低MEMS麦克风的整体尺寸，增强了麦克风的可靠性。

磁阻传感器110设置在振膜120上远离真空腔130的一侧，即磁阻传感器110设置在振膜120的外侧或者上侧，磁阻传感器110与第一磁体150、第二磁体160之间虽然有振膜120阻隔，但是第一磁体150、第二磁体160的磁场依然可以穿过振膜120并被磁阻传感器110感应到，因此不会影响到MEMS麦克风的性能。

当然，也可以将磁阻传感器110设置在多层结构的振膜120中，以保护磁阻传感器110。在本发明一个可选的实施方式中，振膜120可以采用复合结构，例如为了形成真空腔，需要首先设置一层具有牺牲孔的覆盖层，通过牺牲孔将覆盖层下方的牺牲层腐蚀掉；之后在覆盖层的上方沉积一层填充层，以将覆盖层上的牺牲孔封闭住，形成真空腔。磁阻传感器11可以设置在填充层上或者填充层中，最终沉积一层钝化层进行保护，使得磁阻传感器110形成在振膜120的复合结构中。

对于本领域的技术人员而言，也可以将第一磁体150、第二磁体160设置在振膜120上，将磁阻传感器110设置在第一衬底100上。当振膜120振动的时候，带动第一磁体150、第二磁体160的位置发生变化，同样可以实现相同的效果，在此不再具体说明。

无论磁阻传感器110设置在振膜120上，还是设置在第一衬底100上，均可将例如压电片200的驱动装置设置在振膜120上，压电片200可以通过本领域技术人员所熟知的方式形成在振膜120的相应位置，并可通过导电部将压电片200的电信号引出，在振膜120的外侧位置形成相应的外接焊盘。

当磁阻传感器110偏离第一磁体150、第二磁体160的中心线位置时，可以对该压电片200施加直流偏压，通过压电片来驱动振膜120发生一定的位移，最终使磁阻传感器110位于第一磁体150、第二磁体160的中心线位置上，从而保证了传感器的灵敏度。

实施例2

参考图4，与实施例1不同的是，在该实施例中，第一衬底100具有与外界连通的中空腔101，还包括与振膜120隔开的悬臂171，振膜120的边缘以及悬臂171的端头直接或间接连接在第一衬底100上，使得振膜120、悬臂171的主体部分悬置在第一衬底100中空腔101的上方。

悬臂171与振膜120之间通过第一间隔部隔开，第一间隔部的高度即为振膜120与悬臂171之间的初始间隙。由于摒弃了背极板的结构，而是采用了悬臂171的结构设计，使得振膜120与第一间隔部、悬臂171构成了开放式的容腔，悬臂171不会对该容腔造成密封，这与传统振膜与背极板之间围成近似密封的容腔是完全不同的。

由于采用了这种开放式的设计，使得振膜120在振动时，气流可以顺利地流通，不会存在由于空气粘度造成的间隙或穿孔中的空气流动阻力，进而可以大幅度提高麦克风的信噪比。第一磁体150、第二磁体160、磁阻传感器110可以选择设置在振膜120、悬臂171上。

本发明的麦克风，可以是振膜在上、悬臂在下的布置方式，也可以是振膜在下、振膜在上的布置方式。

在一个具体的实施方式中，悬臂171位于振膜120的下方。参考图4，悬臂171的一端可连接在第一衬底100上，另一端可朝向中空腔的轴线方向延伸并悬空在中空腔上方。振膜120的边缘则通过第一间隔部140支撑在悬臂171的上方。

可选地，悬臂171可以设置有一条，其一端直接或间接连接在第一衬底上100，另一端向振膜120的中心方向延伸并悬空。悬臂171也可以设置有两条，根据具体需要进行布置。可选地，悬臂171跨越中空腔，且其两端均直接或间接连接在第一衬底100上。

可选地，为了保证悬臂171的稳固性，第一衬底100的中空腔中形成用于支撑悬臂171的支撑部，该支撑部的形状、尺寸与悬臂171相匹配，使得支撑部不会对第一衬底100的中空腔造成过多的阻挡。支撑部与第一衬底100可以是一体的，通过刻蚀或者本领域技术人员所熟知的方式在第一衬底100上形成中空腔时，同时形成支撑部的构造。

可以将第一磁体150、第二磁体160设置在悬臂171上，将磁阻传感器110设置在振膜120上。当振膜120振动的时候，带动磁阻传感器110的位置发生变化。

也可以是，将第一磁体150、第二磁体160设置在振膜120上，将磁阻传感器110设置在悬臂171上。当振膜120振动的时候，带动第一磁体150、第二磁体160的位置发生变化，在此不再具体说明。

无论磁阻传感器110设置在振膜120上，还是设置在悬臂171上，均可将例如压电片200的驱动装置设置在振膜120上，压电片200可以通过本领域技术人员所熟知的方式形成在振膜120的相应位置，并可通过导电部将压电片200的电信号引出，在振膜120的外侧位置形成相应的外接焊盘。当磁阻传感器110偏离第一磁体150、第二磁体160的中心线位置时，可以对该压电片200施加直流偏压，通过压电片来驱动振膜120发生一定的位移，最终使磁阻传感器110位于第一磁体150、第二磁体160的中心线位置上，从而保证了传感器的灵敏度。

对于本领域的技术人员而言，也可以将压电片200设置在悬臂171上，通过改变悬臂171的位置来校准磁阻传感器110与第一磁体150、第二磁体160之间的相对位置，在此不再具体说明

还可以是，同时在振膜120与悬臂171上设置压电片，通过该两个压电片来校准磁阻传感器110与第一磁体150、第二磁体160之间的相对位置，在此不再具体说明。

实施例3

参考图1，本发明提供了一种麦克风，其包括第一衬底1以及通过第一间隔部6支撑在第一衬底1上方的振膜2，第一衬底1、第一间隔部6、振膜2围成了真空腔5。

本发明的第一衬底1可以采用单晶硅或者本领域技术人员所熟知的其它材质，并可通过逐层沉积、图案化、牺牲的工艺形成第一间隔部6以及通过第一间隔部6支撑在第一衬底1上的振膜2，真空腔5例如可由低压等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在200-350℃下进行密封。这种MEMS工艺属于本领域技术人员的公知常识，在此不再具体说明。其中真空腔5优选小于1kPa，这使得真空腔5中的残余气体粘度大大低于标准压力下的空气粘度。

在振膜2的上方还设置有第一悬臂3，第一悬臂3与振膜2之间通过第二间隔部隔开(图1中未添加标号)，第二间隔部的高度即为振膜2与第一悬臂3之间的初始间隙。振膜2与第二间隔部、第一悬臂3构成了开放式的容腔，使得第一悬臂3不会对该容腔造成密封。

第一悬臂3的一端可连接在第二间隔部上，另一端可朝向容腔的轴线方向延伸并悬空在容腔的上方。可选地，第一悬臂3可以设置有一条，其一端直接或间接连接在第二间隔部，另一端向振膜2的中心方向延伸并悬空。第一悬臂3也可以设置有两条，根据具体需要进行布置。可选地，第一悬臂3跨越容腔，且其两端均直接或间接连接在第二间隔部上。

为了提高麦克风的灵敏度，麦克风可以采用高灵敏度的检测构件。在本发明一个具体的实施方式中，高灵敏度的检测构件可以采用根据磁场变化而输出电信号的磁阻传感器8，例如巨磁阻传感器(GMR)或者隧道磁阻传感器(TMR)。通过采用高灵敏度的磁阻传感器8来获得检测的电信号，可以补偿由于振膜刚性带来的对麦克风整体灵敏度的影响，保证了轻薄化麦克风的声学性能。

参考图1，在第一衬底1上位于真空腔5一侧的位置设置有第一磁体7，在第一悬臂3上设置有第二磁体9，第一磁体7、第二磁体9可以采用磁性薄膜，磁性薄膜可以直接采用磁性材质，也可以是形成薄膜后对该薄膜进行充磁。在本发明一个具体的实施方式中，磁性薄膜可以采用CoCrPt或者CoPt材质。

该第一磁体7可以通过沉积或者本领域技术人员所熟知的其它手段形成在第一衬底1上。具体在制作的时候，可以首先在第一衬底1上沉积一层绝缘层10，然后通过沉积、图案化处理形成第一磁体7，为了保护第一磁体7，还可以在绝缘层10上沉积一层将第一磁体7覆盖住的钝化层11，绝缘层、钝化层可以选用本领域技术人员所熟知的材质，在此对其不再具体说明。

第二磁体9也可以采用相同的方式形成在第一悬臂3上，在此不再具体说明。

第一磁体7、第二磁体9以磁极方向相反的方式分别布置在第一衬底1、第一悬臂3上。参考图1的视图方向，当第一磁体7的左侧为N极、右侧为S极时，则第二磁体9的左侧为S极、右侧为N极；反之亦可。

参考图1的实施例，磁阻传感器8设置在振膜2上，为了将磁阻传感器2的电信号引出，可以在振膜2上设置引线部，该引线部一端与磁阻传感器8连接，另一端在振膜2上延伸至与第一间隔部6的位置，并在振膜2的外侧形成焊盘15。需要注意的是，引线部可以从贯穿至第一衬底1的外侧并形成焊盘，在此不再具体说明。

当振膜2受到外界的声压时，振膜2向第一衬底1的方向发生形变，此时振膜2上的磁阻传感器8靠近第一磁体7、远离第二磁体9，从而使得磁阻传感器8可以感应第一磁体7、第二磁体9的共同磁场的变化，输出变化的电信号，实现了声电的转换。

优选的是，第一磁体7、第二磁体9优选相对于磁阻传感器8对称，磁阻传感器8的该位置即为初始位置。

磁阻传感器8可以设置在振膜2上远离真空腔5的一侧，或者设置在振膜2上靠近真空腔5的一侧，也可以将磁阻传感器8设置在振膜2中。在本发明一个可选的实施方式中，振膜2可以采用复合结构，例如为了形成真空腔，需要首先设置一层具有牺牲孔的覆盖层12，通过牺牲孔将覆盖层12下方的牺牲层腐蚀掉；之后在覆盖层12的上方沉积一层填充层13，以将覆盖层12上的牺牲孔封闭住，形成真空腔。磁阻传感器8可以设置在填充层13上或者填充层13中，最终沉积一层钝化层14进行保护。使得磁阻传感器8形成在振膜120的复合结构中，并位于第一磁体7、第二磁体9的中心位置。

当第一磁体7的左侧为N极，右侧为S极，而第二磁体9的左侧为S极，右侧为N极时，第一磁体7、第二磁体9的磁场方向均由N极回到S极。这种竖直的布置方式，使得在第一磁体7、第二磁体9中心的位置，第一磁体7、第二磁体9的磁场方向相反、磁场强度近似相同。

当磁阻传感器8随着振膜2振动的时候，磁阻传感器8会以该中心位置为初始位置进行上下振动。在该初始位置时，磁阻传感器8受到两个磁体的磁场大小一致，方向相反。例如当振膜2朝向悬臂3的方向形变时，磁阻传感器8靠近第一磁体7而远离第二磁体9，根据磁体的特点可以得知，磁阻传感器8受到第一磁体7的影响大于其受到第二磁体8的影响；反之亦然。

由于磁阻传感器8同时受到两个磁体的作用，该两个磁体配合在一起，降低了整个磁场的强度，并在磁阻传感器8的线性范围内提高了磁场变化的灵敏度，最终提高了磁阻传感器8的检测灵敏度。

图5a示出了图1所示实施例中两个磁体与磁阻传感器分布的坐标图。在该坐标图中，原点位置位于下磁体的中心位置。图5b示出了图1所示实施例中的磁场分布仿真图。两个磁体的尺寸均为2μm*1μm*0.1μm，两个磁体之间的距离为2μm。图5b中的横坐标代表磁阻传感器相对于下磁体中心位置的竖直距离z(m)，纵坐标代表磁场强度Bx(T)以及磁场变化梯度dB/dz(T/m)。图中的线a2代表Bx(T)随着z(m)的变化曲线，线b2代表磁场变化梯度dB/dz(T/m)随z(m)的变化曲线。

磁阻传感器8初始位置的磁场强度为0，即线a2中Bx(T)为0的位置，此时z(m)约为1μm(1.0E-06)，即磁阻传感器8的初始位置为磁阻传感器8至下磁体中心距离1μm的位置。在该初始位置时，线b2的值约为1.6*10⁶T/m。即在该位置时磁场变化梯度为1.6*10⁶T/m。相对于传统的单磁体结构而言，大大提高了磁场变化的灵敏度。另外线b2在该初始位置左右两侧的区域表现的较为平坦，这保证了磁阻传感器8可以处于其线性检测区域内。本发明的麦克风，振膜2与第一衬底1之间围成了真空腔，真空腔内的空气粘度远远低于环境压力中的空气粘度，从而可以降低声阻对振膜2振动的影响，提高了麦克风的信噪比。另外，由于该结构的MEMS麦克风不需要较大容积的背腔，因此可以大大降低MEMS麦克风的整体尺寸，增强了麦克风的可靠性。

本发明的麦克风，除了采用表面微加工或者体硅微加工的工艺制造，还可以结合键合的工艺。参考图1，第一悬臂3可以设置在第二衬底4上，并通过键合的工艺与振膜2结合在一起，在此不再具体说明。

为了校准，可将压电片16设置在第一悬臂3上，压电片16可以通过本领域技术人员所熟知的方式形成在第一悬臂3的相应位置，并可通过导电部将压电片16的电信号引出，在第一悬臂3的外侧位置形成相应的外接焊盘。当磁阻传感器8偏离第一磁体7、第二磁体9的中心位置时，可以对该压电片16施加直流偏压，通过压电片来驱动第一悬臂3发生一定的位移，以此来改变第二磁体9的位置，最终使磁阻传感器8位于第一磁体7、第二磁体9的中心位置上，从而保证了传感器的灵敏度。

对于本领域的技术人员而言，也可以将压电片16设置在振膜2上，通过改振膜2的位置来校准磁阻传感器8与第一磁体7、第二磁体9之间的相对位置。

还可以是，同时在第一悬臂3、振膜2上设置压电片16，通过该两个压电片来校准磁阻传感器8与第一磁体7、第二磁体9之间的相对位置，在此不再具体说明。

实施例4

参考图2，与实施例3不同的是，在该实施例中，第一衬底1具有与外界连通的中空腔16，还包括位于振膜2下方且与振膜2隔开的第二悬臂17，振膜2的边缘以及第二悬臂17的端头直接或间接连接在第一衬底1上，使得振膜2、第二悬臂17的主体部分悬置在第一衬底1中空腔16的上方。

第二悬臂17与振膜2之间通过第一间隔部隔开，第一间隔部的高度即为振膜2与第二悬臂17之间的初始间隙。由于摒弃了背极板的结构，而是采用了第二悬臂17的结构设计，使得振膜2与第一间隔部、第二悬臂17构成了开放式的容腔，第二悬臂17不会对该容腔造成密封，这与传统振膜与背极板之间围成近似密封的容腔是完全不同的。

由于采用了这种开放式的设计，使得振膜2在振动时，气流可以顺利地流通，不会存在由于空气粘度造成的间隙或穿孔中的空气流动阻力，进而可以大幅度提高麦克风的信噪比。

第二悬臂17的一端可连接在第一衬底1上，另一端可朝向中空腔的轴线方向延伸并悬空在中空腔上方。振膜2的边缘则通过第一间隔部支撑在第二悬臂17的上方。

可选地，第二悬臂17可以设置有一条，其一端直接或间接连接在第一衬底上1，另一端向振膜2的中心方向延伸并悬空。第二悬臂17也可以设置有两条，根据具体需要进行布置。可选地，第二悬臂17跨越中空腔，且其两端均直接或间接连接在第一衬底1上。

可选地，为了保证第二悬臂17的稳固性，第一衬底1的中空腔中形成用于支撑第二悬臂17的支撑部，该支撑部的形状、尺寸与第二悬臂17相匹配，使得支撑部不会对第一衬底1的中空腔造成过多的阻挡。支撑部与第一衬底1可以是一体的，通过刻蚀或者本领域技术人员所熟知的方式在第一衬底1上形成中空腔时，同时形成支撑部的构造。

第一磁体7可以设置在第二悬臂17上，与第一悬臂3上的第二磁体9相配合，在此不再具体说明。

为了校准，可将压电片16设置在第二悬臂17上，压电片16可以通过本领域技术人员所熟知的方式形成在第二悬臂17的相应位置，并可通过导电部将压电片16的电信号引出。当磁阻传感器8偏离第一磁体7、第二磁体9的中心位置时，可以对该压电片16施加直流偏压，通过压电片来驱动第二悬臂17发生一定的位移，以此来改变第一磁体7的位置，最终使磁阻传感器8位于第一磁体7、第二磁体9的中心位置上，从而保证了传感器的灵敏度。

对于本领域的技术人员而言，也可以将压电片16设置在振膜2或者第一悬臂3上，通过改振膜2的位置或者改变第一悬臂3的位置来校准磁阻传感器8与第一磁体7、第二磁体9之间的相对位置。

还可以是，选择性同时在第一悬臂3、振膜2、第二悬臂17上设置压电片16，通过两个或者三个压电片来校准磁阻传感器8与第一磁体7、第二磁体9之间的相对位置，在此不再具体说明。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims

1.一种传感器，其特征在于，包括第一衬底以及通过第一间隔部支撑在第一衬底上方的振膜，还包括用于输出表征振膜形变电信号的检测结构；所述检测结构包括第一磁体、第二磁体，以及设置在第一磁体、第二磁体形成共同磁场中的磁阻传感器；初始位置时，所述磁阻传感器位于第一磁体的磁场方向与第二磁体的磁场方向相反的位置；所述磁阻传感器被配置为在振膜的振动过程中感应第一磁体、第二磁体共同磁场的变化而输出变化的电信号；

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述驱动装置为压电片或者为用于提供静电力的电极片。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，初始位置时，所述磁阻传感器受到第一磁体的磁场，与受到第二磁体的磁场大小相等，方向相反。

4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一衬底、第一间隔部、振膜围成了真空腔；其中，振膜在大气压力下的静态偏转距离小于振膜与第一衬底之间的距离；驱动装置设置在振膜上；

5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一衬底具有与外界连通的中空腔，还包括与振膜隔开的悬臂，所述悬臂、振膜悬置在第一衬底中空腔上方，且所述振膜与第一间隔部、衬底围成了开放式的容腔；驱动装置设置在振膜上和/或悬臂上；

或者，所述第一磁体、第二磁体以磁极方向相同的方式依次水平布置在悬臂上，所述磁阻传感器设置在振膜上与第一磁体、第二磁体相对应的位置。

6.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一衬底、第一间隔部、振膜围成了真空腔；其中，振膜在大气压力下的静态偏转距离小于振膜与第一衬底之间的距离；

7.根据权利要求6所述的传感器，其特征在于，所述第一磁体、第二磁体相对于磁阻传感器对称。

8.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一衬底具有与外界连通的中空腔，在振膜相对的两侧还分别设置有第一悬臂、第二悬臂，所述振膜与第一悬臂、第二悬臂之间均间隔开，所述振膜的两侧均与外界连通；驱动装置设置在振膜上和/或第一悬臂和/或第二悬臂；

9.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一磁体、第二磁体为经过磁化的薄膜。

10.根据权利要求1至9任一项所述的传感器，其特征在于：所述传感器为麦克风或压力传感器或位移传感器。